荷蘭期刊發表水之旅 完全指南

最後更新時間：2021年4月9日

原文連結：Long-awaited review reveals journey of water from interstellar clouds to habitable worlds

編譯：黃珞文 核稿：周美吟博士

荷蘭萊頓大學天文教授 Ewine van Dishoeck (艾文．范迪斯胡克 ) 與其它50餘人共組團隊（本所博士後研究何英宏為其中一員），撰成「水之報告書」，將現有天文學家所知道的「關於星際雲中的水的一切」全涵蓋在該文之中。這篇於2021年4月9日在荷蘭《天文學與天文物理學》期刊上發表的文章，總結現有已知資訊，並提供關於適居星球上的水之起源的新訊息，可望在今後二十年成為該領域重要參考。

水在星際空間中如何形成，於何處形成，最終又如何在一個條件類似像地球這樣的行星上形成，這些事情，直到十年前，人們所知仍相當貧乏。其中一個原因是，地面型的天文台會因地球本身大氣裡的水氣而影響觀測的結果。2009年時，歐洲太空署發射赫歇爾號遠紅外太空望遠鏡，它也運作到2013年，才因液氦冷卻劑耗盡而任務告終。當時赫歇爾號望遠鏡的主要目標之一就是研究太空中的水，在望遠鏡上配備有遠紅外外差儀"HIFI"等重要儀器（HIFI享有「分子獵人」之稱，由荷蘭主導建造）。近年來，基於赫歇爾號觀測到的水資料而發表的科學論文多達數十篇，最近這些結果被綜合在一起，以新的見解加以擴展而發表成為一篇新的「水報告」。

新的研究描述了水在整個恆星形成過程中的旅程，尤其包括了中間的階段，到目前為止，該中間階段很少獲得關注。論文中提到，大部分的水是在冰冷而稀薄的星際雲中，以微小塵埃顆粒上的「冰」的形式形成的。當雲團坍縮成新的恆星和行星時，這些水大部分都被保存了下來，並迅速固定在一顆顆塵埃中，塵埃又團聚成如卵石一般大小的團塊。在圍繞新生恆星旋轉的原恆星盤中，這些卵石大小的團塊隨後形成了新行星的「基石」。

研究人員還計算出，大多數新的太陽系在誕生時，都有夠填滿幾千個海洋的大量水。該篇論文的第一作者，同時酷愛天文科普推廣不遺餘力的現任國際天文聯合會主席范迪斯胡克教授表示：「當你喝一杯水時，請意識一下，大部分水分子都是45億年前在同樣形成了太陽及八大行星的雲裡一起形成的，意義很深遠。」

早期赫歇爾號的許多研究結果是集中在熱水蒸氣上，這些水蒸氣在正在成形中的恆星附近不僅明顯可見，並且也大量產生。但這些熱水後來會被新生恆星的強大外流（outflow）沖到太空中而佚失了。在研究人員撰寫這篇水報告的期間，天文學界對冷水蒸汽和冰的化學性質已有了越來越多的瞭解。例如，他們能夠證明星際冰在塵埃顆粒上是一層一層地生長。該一結論是基於重水（其分子式為HDO和D2O而非H2O）所發的微弱信號而得出。

研究人員希望未來能夠研究宇宙中更多的水，特別是在還在早期形成階段的行星系統裡。然而，這可能需要好一段時間了。因為下一個能與赫歇爾太空望遠鏡相提並論的太空望遠鏡計畫，直到2040年前都不可能發射。Dishoeck教授說：「『水望遠鏡』本有可能在2030年前後發射升空的，但很遺憾，計畫被取消了。不過，這也成為我們整個團隊要編寫這份『水報告』的一個原因。因為通過這種方式，未來當新的太空望遠鏡計畫到來時，我們將擁有一份集體的共同記憶。」

此外，韋伯太空望遠鏡將於2021年底發射升空。它將包含由歐美合作建造的中紅外波段相機及光譜儀（簡稱MIRI），將能揭示此前尚無法企及的一部分水之旅路線圖；MIRI將能探測到位於塵埃盤最內部區域的溫暖水蒸氣。論文共同作者Michiel Hogerheijde表示：「赫歇爾望遠鏡已經證明，形成行星的盤上富含水冰。有了MIRI，我們現在可以沿著這條軌跡進入到類地行星形成的那些區域了。」

位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（ALMA）可以從地面以電波頻段去觀測太空中的水蒸氣。這包括遙遠星系中的水，而那裡的水線與地球大氣中的水線相比，已有所偏離。論文共同作者Lars Kristensen 補充說：「因為有赫歇爾號的貢獻，我們才得以更好地解釋這些ALMA資料。」

論文連結：Water in star-forming regions (WISH): Physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy

相關連結：

https://www.astronomie.nl/news/news/viewen?id=2733